虹科案例 | NASA利用太赫茲技術(shù)探測月球上的水源

對于NASA探索地球的天然衛(wèi)星——月球，以及太陽系內(nèi)外的其他天體的首要任務(wù)，是探究這些天體上是否存在水，因為水是生命存在必不可少的條件。在以往的實驗中，證實了月球上存在少量的水：2022年，中國科學院報告稱，中國的月球著陸器于2年通過機載光譜分析首次實時、現(xiàn)場明確確認月球巖石和土壤中的水信號。

實際探測中，大多數(shù)技術(shù)不能區(qū)分水、游離氫離子和羥基，像水這樣的含氫化合物會發(fā)射太赫茲頻率范圍內(nèi)（居于微波與紅外之間）的光子，所以通常使用的寬帶探測器無法精準檢測。

Goddard航天中心的工程師Berhanu Bulcha博士說，一種稱為外差光譜儀的儀器可以放大特定頻率，以明確識別和定位月球上的水源。顧名思義，光譜儀檢測光譜或光的波長，以揭示光接觸過的物質(zhì)的化學性質(zhì)，大多數(shù)光譜儀傾向于在寬光譜范圍工作。外差光譜儀將參考激光源與入射光相結(jié)合，測量激光源和組合波長之間的差異可提供光譜子帶寬之間的準確讀數(shù)，就像太赫茲等帶寬內(nèi)細微差異的顯微鏡一樣，從而分辨出是否真正存在水，實現(xiàn)相關(guān)天體環(huán)境的檢測。

實現(xiàn)這樣的外差光譜儀需要一個穩(wěn)定的，高功率的太赫茲激光器。“現(xiàn)有激光技術(shù)的問題在于，”布爾查博士說，“沒有一種材料具有產(chǎn)生太赫茲波的正確特性。"

半導體激光器原理示意圖

傳統(tǒng)激光器通過激發(fā)原子殼內(nèi)的電子來產(chǎn)生光，然后在躍遷時發(fā)射單個光子，或返回到其靜止能級，不同的原子根據(jù)激發(fā)一個電子所需的固定能量產(chǎn)生不同頻率的光。然而，這種方法難以產(chǎn)生位于紅外和微波之間的太赫茲波（稱為太赫茲間隙）。

電學方法產(chǎn)生太赫茲波，是利用電磁振蕩器（如產(chǎn)生無線電或微波頻率的電磁振蕩器）通過使用一系列放大器和倍頻器將信號擴展到太赫茲范圍來產(chǎn)生低功率太赫茲脈沖。然而，這個過程消耗大量的電能，并且用于放大和乘以脈沖的材料效率有限，這意味著它們在高頻太赫茲頻率時會損失功率。

01.電學方法

虹科基于肖特基二極管倍頻器的太赫茲源，基頻75G，使用倍頻器可到150G、300G、600G；尺寸緊湊

02.光學方法

CO2太赫茲激光器，輸出頻率0.25-7.5THz；設(shè)備體積大

光學方法則是從太赫茲間隙的另一側(cè)，光學激光器將能量泵入氣體以產(chǎn)生光子。然而，高功率太赫茲波段激光器體積大，功耗大，不適合質(zhì)量和功率有限的太空探索目的，特別是小型衛(wèi)星的應(yīng)用。同時，當光學激光器向太赫茲范圍推進時，脈沖的功率也會下降。

為了填補這一空白，Bulcha博士的團隊利用量子級聯(lián)激光器（QCL）的技術(shù)原理，通過利用一些獨特的量子尺度物理學，利用只有幾個原子厚的材料，從中產(chǎn)生光子。與標準二極管激光器不同，發(fā)射頻率由所用材料之間的能帶隙差決定，QCL發(fā)射頻率由工程帶結(jié)構(gòu)（量子阱的大小和寬度）決定，每個通過結(jié)構(gòu)的電子都會發(fā)射N太赫茲光子，其中N是激光中的周期數(shù)。

QCL原理產(chǎn)生高頻太赫茲波

在量子物理學中，薄層材料增加了光子可以隧穿到下一層的機會。一旦到達相鄰量子阱的對應(yīng)位置，它就會激發(fā)額外的光子。使用具有80~100層的發(fā)生器材料，總厚度不到10~15微米，該團隊的量子級聯(lián)激光器產(chǎn)生了一連串太赫茲能量光子。這種級聯(lián)消耗較少的電壓來產(chǎn)生穩(wěn)定的高功率光。

這項技術(shù)的一個缺點是它的光束以大角度擴散，在短距離內(nèi)迅速消散。利用Goddard內(nèi)部研發(fā)（IRAD）資助的創(chuàng)新技術(shù)，Bulcha博士和他的團隊將激光與薄光學天線集成在波導上，以收緊光束。集成的激光器和波導單元在不到四分之一的封裝中將這種耗散降低了 50%。

Goddard航天中心開發(fā)的小型QCL太赫茲源

激光器的低尺寸和功耗使其能夠安裝在1U尺寸的Cubeset中，大約是一個茶壺的大小，包括光譜儀硬件，處理器和電源。它還可以為手持設(shè)備供電，供未來的月球、火星和更遠的星球的探索使用。

虹科太赫茲源

虹科提供基于量子級聯(lián)激光器的多波段、高功率的高頻太赫茲源，以及基于倍頻器的低頻亞太赫茲源，助力天文、生物醫(yī)學、地質(zhì)、工業(yè)檢測等多領(lǐng)域的科學研究。

虹科TeraCascade 2000 太赫茲源

01

基于量子級聯(lián)激光（QCL）技術(shù)的高頻高功率多波段太赫茲源。可集成多達6個QCL芯片，頻率分布于2-5THz。輸出功率可達毫瓦量級，能夠穿透各種生物組織。集成的QCL驅(qū)動器可提供即時的電子控制以快速切換工作頻率。配置全新設(shè)計的半永久真空系統(tǒng)，結(jié)合斯特林冷卻機實現(xiàn)低溫環(huán)境，無需額外提供制冷劑。緊湊設(shè)計，即插即用，可便利集成于實驗室的太赫茲成像系統(tǒng)中，提供高強度的太赫茲發(fā)射波。

虹科TeraCascade 100 太赫茲源

02

基于量子級聯(lián)激光（QCL）技術(shù)的高頻太赫茲源。單頻率連續(xù)波輸出，功率達百微瓦，采用液氮制冷，是具有成本效益的QCL源，可實現(xiàn)相關(guān)太赫茲研究。

虹科TeraSchottky太赫茲源

03

基于肖特基二極管倍頻器原理的亞太赫茲源（＜1THz）?；l為75GHz，施加倍頻器可拓展至150, 300和600Hz。輸出功率高達百毫瓦，在穿透力上具有明顯優(yōu)勢。高可調(diào)諧性，具有＞ 12 %的可調(diào)頻寬，滿足多種應(yīng)用的需求。高度集成，即插即用，可遠程操控。